Modélisation des transferts hygrothermiques dans les matériaux de construction : incidence de l’hystérésis

Hygrothermal transfers modelling in porous building materials : influence of hysteresis

• Auteur / Autrice : Maroua Maaroufi
• Direction : Kamilia Abahri, Rafik Belarbi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 12/12/2019
• Etablissement(s) : La Rochelle
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Euclide (La Rochelle ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des Sciences de l’Ingénieur pour l’Environnement (La Rochelle)
• Jury : Président / Présidente : Didier Defer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Kamilia Abahri, Rafik Belarbi, Didier Defer, Ammar Yahia, Rabah Hamzaoui
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ammar Yahia, Rabah Hamzaoui

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éco-matériaux

Hystérésis

Modèles mathématiques

Hygrothermoélasticité

Mots clés libres

Hystérésis

Adsorption

Désorption

Reconstruction 3D

Modélisation de transferts hygrothermiques

Hysteresis

Adsorption

Desorption

3D volume reconstruction

Hygrothermal transfer modelling

Résumé

Le présent travail vise à étudier l’influence de la microstructure des éco-matériaux de construction alternatifs utilisés dans les parois des bâtiments, tels que le béton de polystyrène sur les transferts de chaleur et d’humidité. L’objectif de ces travaux de thèse est de prédire le comportement hygrothermique des bâtiments dans une optique d’amélioration de la durabilité et des performances énergétiques. Afin d’y parvenir, ceci nécessite une approche multi-échelle qui consiste d’abord à décrire minutieusement la microstructure des matériaux étudiés, puis à maîtriser les interactions entre les différentes phases les composant à l’échelle microscopique, dans le but de mieux appréhender leur comportement à l’échelle macroscopique. Par la suite, des simulations numériques des transferts couplés de chaleur et d’humidité seront menées, prenant en compte la microstructure et la morphologie réelles des matériaux à travers des volumes 3D reconstruits grâce à la micro-tomographie à rayons X. Pour mener à bien la modélisation, il a fallu caractériser le matériau au niveau microscopique. Plusieurs techniques d’imagerie ont été utilisées afin d’obtenir une description fine de la microstructure du béton de polystyrène et des différentes phases qui le composent. Le matériau a été scanné au micro-tomographe à rayons X pour obtenir les reconstructions 3D du volume réel, qui ont montré son hétérogénéité microstructurale complexe. Le matériau a également été observé au microscope électronique à balayage en vue d’évaluer l’interface entre les deux phases, qui ne montre pas de zone de transition. Une campagne de caractérisation macroscopique et expérimentale du béton de polystyrène a été réalisée. Elle inclut la détermination des propriétés physiques et hygrothermiques du matériau, ainsi que l’impact de son état hydrique et thermique sur ces mêmes propriétés. Le béton de polystyrène montre d’excellentes performances en ce qui concerne l’isolation thermique et le stockage de chaleur, mais une capacité de régulation d’humidité négligeable. Ensuite, des expérimentations ont été mises en place dans le but de mieux appréhender les transferts d’humidité dans le matériau soumis à différentes conditions climatiques. Des échantillons sont soumis à des sollicitations hydriques cycliques dans le but de mettre en exergue le phénomène d’hystérésis de sorption d’eau, et un suivi d’humidité relative à l’intérieur des échantillons sera assuré grâce aux instruments adaptés. Un modèle de transferts couplés de chaleur et d’humidité a été élaboré. Il prend en compte l’effet de l’hystérésis de sorption d’eau et inclut ainsi l’historique des états hydriques. Au niveau macroscopique, les résultats des simulations sont confrontés aux relevés expérimentaux et ont montré une bonne adéquation. A l’échelle microscopique, des simulations seront effectués sur les volumes réels reconstruits par tomographie afin de prendre en compte l’hétérogénéité de la microstructure du matériau multiphasique.

The present work aims to study the influence of the sorption hysteresis phenomenon on heat and moisture transfer in building materials. In order to achieve this, we first describe the microstructure of materials, which will allow a better understanding of their behavior at the macroscopic scale. Subsequently, numerical simulations of the coupled heat and mass transfers will be conducted, taking into account the real microstructure of the materials using X-rays reconstructed 3D volumes. Several imaging techniques have been used to obtain a fine description of the microstructure of polystyrene concrete and its different phases. The 3D reconstructions of the actual volume were obtained using X-rays micro-tomography, which showed its complex microstructural heterogeneity. Afterwards, we carried out a campaign of macroscopic experimental characterization of the material. It included the determination of the physical and hygrothermal properties of the polystyrene concrete, as well as the impact of temperature and relative humidity on these same properties. Polystyrene concrete shows excellent performance in thermal insulation and heat storage. Later, experiments have been set up in order to better understand the moisture transfer in samples subjected to cyclic stresses, in order to highlight the sorption hysteresis effect. A model of coupled heat and moisture transfers has been developed, taking into account the effect of sorption hysteresis and thus including the hydric history of the material. The results of the numerical simulations were compared to the experimental ones and showed a good match. 3D simulations will be performed on the actual volumes reconstructed by tomography to take into account the heterogeneity of the material.